EP3872843A1 - Procédé de fabrication d'un transistor bipolaire et transistor bipolaire susceptible d'être obtenu par un tel procédé - Google Patents

Procédé de fabrication d'un transistor bipolaire et transistor bipolaire susceptible d'être obtenu par un tel procédé Download PDF

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EP3872843A1
EP3872843A1 EP21158347.1A EP21158347A EP3872843A1 EP 3872843 A1 EP3872843 A1 EP 3872843A1 EP 21158347 A EP21158347 A EP 21158347A EP 3872843 A1 EP3872843 A1 EP 3872843A1
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EP
European Patent Office
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layer
base
formation
collector
electrically insulating
Prior art date
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Pending
Application number
EP21158347.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Edoardo BREZZA
Alexis Gauthier
Fabien Deprat
Pascal Chevalier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
STMicroelectronics Crolles 2 SAS
Original Assignee
STMicroelectronics Crolles 2 SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by STMicroelectronics Crolles 2 SAS filed Critical STMicroelectronics Crolles 2 SAS
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Definitions

  • the present text relates to a process for manufacturing a bipolar transistor and a bipolar transistor capable of being obtained by such a process.
  • a bipolar transistor includes an emitter, base, and collector superimposed on a semiconductor substrate.
  • the base comprises a so-called intrinsic part, which is the active region of the transistor, forming a junction with the collector at the level of its lower part and with the emitter at the level of its upper part, and a so-called extrinsic part, which is a region electrical connection extending laterally with respect to the intrinsic base, through which the intrinsic part can be biased during operation of the transistor.
  • intrinsic part which is the active region of the transistor, forming a junction with the collector at the level of its lower part and with the emitter at the level of its upper part
  • extrinsic part which is a region electrical connection extending laterally with respect to the intrinsic base, through which the intrinsic part can be biased during operation of the transistor.
  • Such insulation can be achieved by means of an air space surrounding the base-collector junction, making it possible to avoid any contact between the extrinsic part of the base and the collector.
  • the figure 1 illustrates a bipolar transistor formed on a semiconductor substrate 1.
  • the collector C is partly formed in an electrically insulating layer 11.
  • the upper part of the collector C which forms a junction with the intrinsic part B1 of the base B, is surrounded a 3 'air gap.
  • the intrinsic part B1 is connected to a semiconductor layer 13 which forms the extrinsic part B2 of the base by a lateral portion B3, which is formed after the part B1 and has different electrical properties.
  • the air space 3 ' is delimited by the electrically insulating layer 11, the semiconductor layer 13 and an electrically insulating layer 12 extending under the head of the T of the intrinsic part of the base.
  • intrinsic part of the base is meant in the present text the portion of the bipolar transistor which forms a P-N junction respectively with the collector and with the emitter.
  • exrinsic part of the base is meant in the present text an electrical contact region extending laterally with respect to the intrinsic part of the base, the function of which is thus to bias the base of the bipolar transistor.
  • formation of the emitter includes forming an opening in the fourth layer up to the intrinsic part of the base and non-selective deposition of a semiconductor material on the fourth layer and over. the intrinsic part of the base.
  • the formation of the extrinsic portion of the base comprises a first phase of growth of the semiconductor layer laterally to. from an edge of the intrinsic part of the base, followed by a second phase of growth of the semiconductor layer from the surface of the second electrically insulating layer in a direction perpendicular to said surface.
  • the formation of the extrinsic portion of the base comprises a phase of depositing a first semiconductor layer on the second electrically insulating layer followed by the selective deposition of the semiconductor layer on said first layer. semiconductor.
  • the first, second and fourth layers are formed from a material selected from silicon oxide (SiO2) and silicon nitride (Si3N4).
  • the first and fourth layers can be silicon oxide layers and the second layer can be a silicon nitride layer.
  • the third layer is a polycrystalline silicon-germanium layer.
  • the semiconductor layer forming the extrinsic portion of the base is a polysilicon layer.
  • the intrinsic portion of the base comprises silicon germanium.
  • the third layer and the intrinsic part of the base are silicon germanium and the germanium content of the third layer is at least 1.5 times greater than the germanium content of the intrinsic part of the base. based.
  • the method includes, prior to formation of the emitter, forming spacers on the intrinsic portion of the base.
  • Another object relates to a structure comprising a bipolar transistor obtainable by the method described above.
  • the second electrically insulating layer is located on and in contact with the first electrically insulating layer.
  • the second electrically insulating layer is in direct contact with the junction between the collector and the intrinsic part of the base.
  • the first electrically insulating layer is silicon oxide and the second electrically insulating layer is silicon nitride.
  • the semiconductor layer forming the extrinsic portion of the base is polycrystalline silicon.
  • the second layer 22 is located on and in contact with the first layer 21.
  • the substrate 1 is a monocrystalline semiconductor substrate, optionally doped.
  • the substrate 1 can be a monocrystalline silicon substrate.
  • the substrate 1 must in fact serve as a seed for the epitaxial growth of the collector, the base and the emitter of a bipolar transistor.
  • the first, second and fourth layers of the stack are electrically insulating.
  • said layers can be formed of silicon oxide (SiO2) or silicon nitride (Si3N4).
  • each of the layers 21 to 24 is able to be etched selectively with respect to each adjacent layer.
  • the layers 21 and 24 are layers of silicon oxide and the layer 22 is a layer of silicon nitride.
  • the third layer 23 is advantageously a layer of polycrystalline silicon-germanium, which is able to be etched selectively with respect to the layers 22 and 24 and with respect to the material of the intrinsic part of the base which will be formed subsequently.
  • an opening 20 extending to the substrate 1 has been formed in the stack 2, so as to expose the surface 10 of the substrate 1.
  • Such an opening can be formed by etching through a mask (not shown), in particular by dry etching.
  • the etching uses agents of composition suitable for successively etching the layers 24, 23, 22 and 21.
  • This etching is essentially anisotropic, that is to say mainly in the direction of the thickness of the stack.
  • the choice of the etchants according to the materials to be engraved is within the abilities of those skilled in the art and will not be detailed in the present text.
  • the opening 20 forms a window in which the collector, the base and the emitter are to be formed from the surface 10 of the substrate 1.
  • the substrate 1 which is monocrystalline serves as a seed for the epitaxial growth of the collector.
  • the collector is formed from a monocrystalline semiconductor material, the lattice parameter of which is as close as possible to the lattice parameter of the substrate 1 in order to avoid the generation of crystalline defects in the collector.
  • the substrate 1 and the collector C are both made of monocrystalline silicon.
  • Collector C can be doped during or after epitaxy, by means known to those skilled in the art.
  • the doping of the collector can be carried out with arsenic or phosphorus, with a dose typically of the order of 1018 to 1019 cm-3.
  • the doping of the collector can be carried out with boron or indium, with a dose typically of the order of 1018 to 1019 cm-3.
  • Each selective epitaxy cycle includes an etching step and a growth step.
  • the growth rate is different depending on the material from which the growth is implemented.
  • the selectivity of the epitaxy is provided by the etching which makes it possible to eliminate the material deposited where growth is less rapid.
  • Each selective etching step uses an etching agent which etches the polycrystalline silicon-germanium of the layer 23 more rapidly than the silicon of the collector.
  • the etchant includes hydrochloric acid (HCl).
  • Each selective etching step makes it possible to form an annular opening 230 extending laterally around the opening 20 in the layer 23.
  • the width of said opening 230 is of the order of a few tens of nanometers on each side of the opening 20.
  • Each selective epitaxy step makes it possible to preferentially grow the monocrystalline silicon on the surface 10 of the substrate 1, the crystal lattice of the substrate 1 serving as a seed for the growth of the collector C.
  • the growth of the collector is stopped when the upper surface of the collector is located between the upper surface of the silicon oxide layer 21 and the upper surface of the silicon nitride layer 22.
  • the epitaxy was continued to grow the base of the bipolar transistor (more precisely, the intrinsic part B1 of the base) on the collector C.
  • the collector which is monocrystalline serves as a seed for the epitaxial growth of the base.
  • the base is formed from a monocrystalline semiconductor material, the lattice parameter of which is as close as possible to the lattice parameter of the collector C in order to avoid the generation of crystalline defects in the collector.
  • the substrate 1 and the collector C are in monocrystalline silicon, while the base B1 is in monocrystalline silicon-germanium.
  • the germanium content of the layer 23 is sufficiently large compared to the germanium content of the base B1 (for example, more than 1.5 times greater) to ensure a selectivity of the etching of the layer 23 vis-à-vis. screw of the base B1, in order not to damage the base during the etching of the layer 23 (step shown diagrammatically on the figure 14 ).
  • the base is doped in a type opposite to that of the collector to form a PN junction, which is in contact laterally with the electrically insulating layer 22.
  • the base grows only from the monocrystalline material of the collector, away from the material. polycrystalline layer 23, which makes it possible to optimize the crystalline quality of the base. Indeed, if the base were in contact with the layer 23, the material of the base would also be deposited on the edge of this layer, which consists of a material different from that of the base and which is not monocrystalline, which would induce crystalline defects in the base.
  • the growth of the base is stopped when the upper surface of the base reaches the upper surface of the layer 23 of polycrystalline silicon-germanium.
  • the annular opening 230 is therefore internally delimited by the base to form an air space 3. It will be noted, however, that this air space is not located at the same location as the air gap 3 'in the bipolar transistor of the figure 1 , and that it does not perform the same function. Indeed, while the air gap 3 'of the bipolar transistor of the figure 1 was intended to avoid electrical contact between the base-collector junction and the extrinsic part of the base, the air space 3 of the figure 5 is intended to optimize the crystalline quality of the intrinsic part of the base. As will be seen below, the air space 3 will disappear in a subsequent step of the manufacturing process of the bipolar transistor and will therefore not be present in the final bipolar transistor.
  • the silicon nitride layer 26 has been etched over the entire surface of the structure. At the end of this etching step, only two silicon nitride pads 26a remain in the opening.
  • an opening was formed between the pads 26a by removing the oxide layer present between said pads, in order to expose the upper surface of the intrinsic part B1 of the base.
  • the silicon nitride pads 26a have been removed, so that only two spacers 25a remain on the intrinsic part B1 of the base, which are the residual portions of the layer 25 of silicon oxide.
  • a polycrystalline silicon deposit intended to form the emitter was implemented. This deposit not being selective, the layer 27 of polycrystalline silicon was deposited both on the silicon oxide layer 24, on the spacers 25a and on the intrinsic part B1 of the base. Layer 27 is doped of the type opposite to that of the base, to form a PN junction between the base and the emitter.
  • the doping of the emitter can be carried out with arsenic, with a dose typically of the order of 1020 to 1021 cm-3.
  • the emitter can be doped with boron, with a dose typically of the order of 1020 to 1021 cm-3.
  • Layer 27 was then covered with an electrically insulating protective layer 28, for example made of silicon oxide.
  • an etching has been implemented through a localized mask (not shown) to define the emitter E in the layer 27 of polysilicon.
  • the etching has removed the layer 28 of silicon oxide, the layer 27 of polysilicon and the layer 24 of silicon oxide.
  • the etching agent is chosen to ensure selective etching of the silicon oxide with respect to the polycrystalline silicon-germanium, the layer 23 of polycrystalline silicon-germanium serving as an etching stopper layer.
  • a layer 29 of silicon oxide has been deposited making it possible to encapsulate the emitter.
  • Said layer 29 is deposited in a conformal manner on the layer 23 of polycrystalline silicon-germanium, on the layer 28 of silicon oxide and on the lateral edges of the emitter.
  • the silicon oxide layer 29 present on the surface of the silicon-germanium layer 23 has been etched. Said etching is anisotropic, so as to preserve the silicon oxide encapsulating the upper surface and the side edges of the emitter E.
  • the layer 23 of polycrystalline silicon-germanium serves as an etching stopper layer.
  • an etching of the layer 23 of polycrystalline silicon-germanium was carried out.
  • the etching agent is chosen to ensure selective etching of the polycrystalline silicon-germanium with respect to the other materials of the structure, in particular with respect to the material of the intrinsic part B1 of the base and of the material of the layer 22.
  • This engraving exposes the upper part of the side edges of the intrinsic part B1 of the base, the junction base-collector being surrounded by the layer 22 of silicon nitride.
  • a semiconductor layer 30 has been deposited on the layer 22 of silicon nitride.
  • the semiconductor material of the layer 30 is chosen to be selectively deposited on the silicon nitride, and not on the silicon oxide. Since silicon nitride is not a monocrystalline material, the semiconductor material of layer 30 is typically polycrystalline. According to a preferred embodiment, the material of layer 30 is polycrystalline silicon doped of the same type as the base.
  • the deposition of the layer 30 can be stopped from the moment when the upper surface of said layer has reached the lower surface of the emitter E.
  • the layer 30 entirely fills the recessed region under the emitter, and is in position. electrical contact with the upper part of the base B.
  • Layer 30 thus fulfills the function of extrinsic part B2 of the base.
  • the growth of the layer 30 can be carried out first from the exposed edges of the intrinsic part B1 of the base, in a direction parallel to the main surface of the structure (direction represented by the arrow I), then from of the surface of the layer 22 of the silicon nitride layer, in the direction perpendicular to the surface of the layer 22 (direction represented by the arrow II).
  • a selective epitaxy is first implemented allowing growth of the material of the layer 30 only from the silicon-germanium of the intrinsic part of the base, then a selective epitaxy allowing a growth of the material of the layer 30.
  • layer 30 also from the silicon nitride of layer 22.
  • the growth of the layer 30 can be carried out in two stages in the direction perpendicular to the main surface of the structure.
  • a first step shown schematically by arrow I
  • a second step (schematized by arrow II)
  • the P-doped polysilicon is deposited on the thin layer. layer of silicon to form the remainder of layer 30.
  • the prior deposition of such a thin layer of silicon may be advantageous to ensure sufficient selectivity of the deposition of the layer of polysilicon with respect to the encapsulating oxide. 'transmitter.
  • the silicon layer deposited in the first step does not fulfill an electrical function.
  • the electrical function of the extrinsic part B2 of the base is provided by the polycrystalline silicon layer deposited in the second step.
  • the process described in the present text has the following advantages compared to the process for manufacturing the bipolar transistor of the figure 1 .
  • the air space formed around the intrinsic part of the base makes it possible to improve the crystalline quality of the base.
  • the electrical insulation of the base - collector junction with respect to the extrinsic part of the base is provided by an electrically insulating layer (namely the layer 22 of silicon nitride in the illustrated embodiment. in the figures), which is in direct contact with the base and the collector on either side of said junction; the difficulties associated with controlling an air space are therefore avoided.
  • the number of steps implemented is reduced, in particular as regards the realization of the connection between the intrinsic part and the extrinsic part of the base.
  • the bipolar transistor thus obtained is therefore more robust while being easier to manufacture on an industrial scale.
  • bipolar transistor being compatible with the steps of manufacturing CMOS transistors
  • this method lends itself well to the co-integration of bipolar and CMOS transistors (designated by the term BiCMOS).

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Abstract

Le présent texte concerne un procédé de fabrication d'un transistor bipolaire, comprenant :- formation d'un empilement (2) comprenant successivement quatre couches (21, 22, ,23, 24), dans lequel chacune des première à quatrième couches est apte à être gravée sélectivement par rapport à chaque couche adjacente, les première, deuxième et quatrième couche étant électriquement isolantes,- formation d'une ouverture / fenêtre (20) dans l' empilement jusqu'au substrat,- formation par épitaxie du collecteur (C) et formation par gravure sélective d'une ouverture annulaire (230) dans la troisième couche (23),- formation par épitaxie d'une base intrinsèque (B1), séparée de la troisième couche (23) par une lame d'air (3) formée dans l'ouverture annulaire (230),- formation de l'émetteur (E) sur la base intrinsèque,- gravure sélective de la troisième couche (23),- dépôt sélectif d'une couche semi-conductrice (30) sur la deuxième couche (22), en contact direct avec la partie intrinsèque, de sorte à former une base extrinsèque (B2).

Description

    Domaine technique
  • Le présent texte concerne un procédé de fabrication d'un transistor bipolaire et un transistor bipolaire susceptible d'être obtenu par un tel procédé.
    • Technique antérieure
  • Un transistor bipolaire comprend un émetteur, une base et un collecteur superposés sur un substrat semi-conducteur.
  • La base comprend une partie dite intrinsèque, qui est la région active du transistor, formant une jonction avec le collecteur au niveau de sa partie inférieure et avec l'émetteur au niveau de sa partie supérieure, et une partie dite extrinsèque, qui est une région de connexion électrique s'étendant latéralement par rapport à la base intrinsèque, par l'intermédiaire de laquelle la partie intrinsèque peut être polarisée lors du fonctionnement du transistor.
  • Pour réduire la capacité base-collecteur, il est souhaitable d'isoler électriquement le collecteur de la partie extrinsèque de la base.
  • Une telle isolation peut être réalisée au moyen d'une lame d'air entourant la jonction base-collecteur, permettant d'éviter tout contact entre la partie extrinsèque de la base et le collecteur.
  • La figure 1 illustre un transistor bipolaire formé sur un substrat semi-conducteur 1. Le collecteur C est formé en partie dans une couche électriquement isolante 11. La partie supérieure du collecteur C, qui forme une jonction avec la partie intrinsèque B1 de la base B, est entourée d'une lame d'air 3'. La partie intrinsèque B1 est connectée à une couche semi-conductrice 13 qui forme la partie extrinsèque B2 de la base par une portion latérale B3, qui est formée postérieurement à la partie B1 et présente des propriétés électriques différentes. La lame d'air 3' est délimitée par la couche électriquement isolante 11, la couche semi-conductrice 13 et une couche 12 électriquement isolante s'étendant sous la tête du T de la partie intrinsèque de la base.
  • Les documents US 10,186,605 et US 10,224,423 décrivent des procédés permettant de former une telle lame d'air.
  • Cependant, ces procédés sont particulièrement complexes du fait du nombre d'étapes à mettre en œuvre pour relier la partie extrinsèque à la partie intrinsèque de la base. De plus, il est difficile de maîtriser les dimensions de la lame d'air, ce qui engendre des risques de court-circuit entre la partie extrinsèque de la base et le collecteur.
    • Résumé de l'invention
  • Il subsiste donc un besoin de concevoir un procédé de fabrication d'un transistor bipolaire qui permette d'isoler électriquement la partie extrinsèque de la base vis-à-vis du collecteur, de manière robuste et avec un nombre minimal d'étapes.
  • Un objet du présent texte est un procédé de fabrication d'un transistor bipolaire comprenant un collecteur, une base et un émetteur, comprenant :
    • la formation, sur un substrat semi-conducteur, d'un empilement comprenant successivement : une première couche, une deuxième couche, une troisième couche et une quatrième couche, dans lequel chacune des première à quatrième couches est apte à être gravée sélectivement par rapport à chaque couche adjacente, les première, deuxième et quatrième couche étant électriquement isolantes,
    • la formation d'une ouverture dans l'empilement jusqu'au substrat,
    • la formation par épitaxie sur le substrat du collecteur du transistor bipolaire et la formation par gravure sélective d'une ouverture annulaire dans la troisième couche,
    • la formation par épitaxie sur le collecteur d'une partie intrinsèque de la base, ladite partie intrinsèque étant séparée de la troisième couche par une lame d'air formée dans l'ouverture annulaire, la jonction entre le collecteur et la partie intrinsèque de la base étant entourée par la deuxième couche,
    • la formation de l'émetteur sur la partie intrinsèque de la base,
    • le retrait de la troisième couche par gravure sélective,
    • le dépôt sélectif d'une couche semi-conductrice sur la deuxième couche, en contact direct avec la partie intrinsèque de la base, de sorte à former une partie extrinsèque de la base du transistor bipolaire.
  • Par « partie intrinsèque de la base », on entend dans le présent texte la portion du transistor bipolaire qui forme une jonction P-N respectivement avec le collecteur et avec l'émetteur. Par « partie extrinsèque de la base », on entend dans le présent texte une région de contact électrique s'étendant latéralement par rapport à la partie intrinsèque de la base, dont la fonction est ainsi de polariser la base du transistor bipolaire.
  • Dans certains modes de réalisation, la formation de l'émetteur comprend la formation d'une ouverture dans la quatrième couche jusqu'à la partie intrinsèque de la base et un dépôt non sélectif d'un matériau semi-conducteur sur la quatrième couche et sur la partie intrinsèque de la base.
  • Dans certains modes de réalisation, la formation de la partie extrinsèque de la base comprend une première phase de croissance de la couche semi-conductrice latéralement à partir d'un bord de la partie intrinsèque de la base, suivie d'une seconde phase de croissance de la couche semi-conductrice à partir de la surface de la deuxième couche électriquement isolante dans une direction perpendiculaire à ladite surface.
  • Dans d'autres modes de réalisation, la formation de la partie extrinsèque de la base comprend une phase de dépôt d'une première couche semi-conductrice sur la deuxième couche électriquement isolante suivie du dépôt sélectif de la couche semi-conductrice sur ladite première couche semi-conductrice.
  • Dans certains modes de réalisation, les première, deuxième et quatrième couches sont formées d'un matériau choisi parmi l'oxyde de silicium (SiO2) et le nitrure de silicium (Si3N4).
  • En particulier, les première et quatrième couches peuvent être des couches d'oxyde de silicium et la deuxième couche peut être une couche de nitrure de silicium.
  • Dans certains modes de réalisation, la troisième couche est une couche de silicium-germanium polycristallin.
  • Dans certains modes de réalisation, la couche semi-conductrice formant la partie extrinsèque de la base est une couche de silicium polycristallin.
  • Dans certains modes de réalisation, la partie intrinsèque de la base comprend du silicium-germanium.
  • Dans certains modes de réalisation, la troisième couche et la partie intrinsèque de la base sont en silicium-germanium et la teneur en germanium de la troisième couche est au moins 1,5 fois plus grande que la teneur en germanium de la partie intrinsèque de la base.
  • Dans certains modes de réalisation, le procédé comprend, avant la formation de l'émetteur, la formation d'espaceurs sur la partie intrinsèque de la base.
  • En particulier, la formation des espaceurs peut comprendre :
    • le dépôt d'une couche d'oxyde de silicium sur la partie intrinsèque de la base,
    • le dépôt d'une couche de nitrure de silicium sur la couche d'oxyde de silicium,
    • la formation d'une ouverture dans lesdites couches de nitrure de silicium et d'oxyde de silicium jusqu'à la partie intrinsèque de la base, de sorte à délimiter lesdits espaceurs dans la couche d'oxyde de silicium.
  • Un autre objet concerne une structure comprenant un transistor bipolaire susceptible d'être obtenu par le procédé décrit plus haut.
  • Ladite structure comprend un transistor bipolaire incluant un collecteur, une base et un émetteur, ladite structure comprenant :
    • un substrat semi-conducteur,
    • un empilement comprenant successivement à partir du substrat : une première couche électriquement isolante, une seconde couche électriquement isolante en un matériau différent de celui de la première couche électriquement isolante et une couche semi-conductrice, ledit empilement comprenant une fenêtre s'étendant jusqu'au substrat,
    • le collecteur, une partie intrinsèque de la base et l'émetteur étant empilés successivement sur le substrat dans ladite fenêtre, la jonction entre le collecteur et la partie intrinsèque de la base étant entourée par la seconde couche électriquement isolante, la couche semi-conductrice formant une partie extrinsèque de la base du transistor bipolaire.
  • Dans certains modes de réalisation, la deuxième couche électriquement isolante est située sur et en contact avec la première couche électriquement isolante.
  • Dans certains modes de réalisation, la seconde couche électriquement isolante est en contact direct avec la jonction entre le collecteur et la partie intrinsèque de la base.
  • Dans certains modes de réalisation, la première couche électriquement isolante est en oxyde de silicium et la seconde couche électriquement isolante est en nitrure de silicium.
  • Dans certains modes de réalisation, la couche semi-conductrice formant la partie extrinsèque de la base est en silicium polycristallin.
    • Brève description des dessins
  • D'autres caractéristiques et avantages de ces modes de réalisation apparaîtront dans la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
    • la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un transistor bipolaire comprenant une lame d'air autour de la jonction entre la base et le collecteur ;
    • la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un empilement de couches formé sur un substrat ;
    • la figure 3 est une vue schématique en coupe de la structure de la figure 2 après formation d'une ouverture dans l'empilement ;
    • la figure 4 est une vue schématique en coupe de la structure de la figure 3 après formation par épitaxie du collecteur d'un transistor bipolaire sur le substrat ;
    • la figure 5 est une vue schématique en coupe de la structure de la figure 4 après formation par épitaxie de la base du transistor bipolaire sur le collecteur ;
    • la figure 6 est une vue schématique en coupe de la structure de la figure 5 après dépôt d'une couche d'oxyde de silicium et de nitrure de silicium ;
    • la figure 7 est une vue schématique en coupe de la structure de la figure 6 après gravure d'une partie de la couche de nitrure de silicium ;
    • la figure 8 est une vue schématique en coupe de la structure de la figure 7 après formation d'une ouverture exposant la surface supérieure de la base du transistor bipolaire ;
    • la figure 9 est une vue schématique en coupe de la structure de la figure 8 après retrait de plots de nitrure de silicium ;
    • la figure 10 est une vue schématique en coupe de la structure de la figure 9 après dépôt du matériau formant l'émetteur du transistor bipolaire et d'une couche protectrice ;
    • la figure 11 est une vue schématique en coupe de la structure de la figure 10 après délimitation de l'émetteur du transistor bipolaire ;
    • la figure 12 est une vue schématique en coupe de la structure de la figure 11 après dépôt d'une couche d'encapsulation autour de l'émetteur ;
    • la figure 13 est une vue schématique en coupe de la structure de la figure 12 après gravure localisée de la couche d'encapsulation ;
    • la figure 14 est une vue schématique en coupe de la structure de la figure 13 après retrait de la couche de silicium-germanium polycristallin ;
    • la figure 15 est une vue schématique en coupe de la structure de la figure 14 après dépôt sélectif d'une couche semi-conductrice formant la partie extrinsèque de la base du transistor bipolaire ;
    • la figure 16a est une vue schématique en coupe des étapes dudit dépôt sélectif selon un premier mode de réalisation ; et
    • la figure 16b est une vue schématique en coupe des étapes dudit dépôt sélectif selon un second mode de réalisation.
  • Pour des raisons de lisibilité des figures, les dessins ne sont pas tracés à l'échelle. Par ailleurs, les dessins ont été simplifiés de sorte à ne faire apparaître que les éléments utiles à la compréhension des figures.
  • Dans le présent texte, les termes « latéral », « inférieur », « supérieur », « sous », « sur », « au dessus », « en dessous », etc. s'entendent par rapport à l'orientation des éléments considérés sur les figures.
    • Description des modes de réalisation
  • En référence à la figure 2, on a formé sur un substrat 1 un empilement 2 des quatre couches successives suivantes :
    • une première couche 21,
    • une deuxième couche 22,
    • une troisième couche 23,
    • une quatrième couche 24.
  • La deuxième couche 22 est située sur et en contact avec la première couche 21.
  • Le substrat 1 est un substrat semi-conducteur monocristallin, éventuellement dopé. Par exemple, le substrat 1 peut être un substrat de silicium monocristallin. Comme cela sera décrit plus bas, le substrat 1 doit en effet servir de germe à la croissance épitaxiale du collecteur, de la base et de l'émetteur d'un transistor bipolaire.
  • La première, la deuxième et la quatrième couche de l'empilement sont électriquement isolantes. Par exemple, lesdites couches peuvent être formées d'oxyde de silicium (SiO2) ou de nitrure de silicium (Si3N4).
  • Par ailleurs, chacune des couches 21 à 24 est apte à être gravée sélectivement par rapport à chaque couche adjacente.
  • Ainsi, dans certains modes de réalisation, les couches 21 et 24 sont des couches d'oxyde de silicium et la couche 22 une couche de nitrure de silicium.
  • La troisième couche 23 est avantageusement une couche de silicium-germanium polycristallin, qui est apte à être gravée sélectivement par rapport aux couches 22 et 24 et par rapport au matériau de la partie intrinsèque de la base qui sera formée ultérieurement.
  • Naturellement, ces matériaux sont donnés à titre d'exemples et l'homme du métier pourra choisir d'autres matériaux remplissant les conditions mentionnées ci-dessus.
  • En référence à la figure 3, on a formé dans l'empilement 2 une ouverture 20 s'étendant jusqu'au substrat 1, de sorte à exposer la surface 10 du substrat 1.
  • Une telle ouverture peut être formée par gravure au travers d'un masque (non représenté), notamment par gravure sèche. La gravure met en œuvre des agents de composition adaptée pour graver successivement les couches 24, 23, 22 et 21. Cette gravure est essentiellement anisotrope, c'est-à-dire principalement dans le sens de l'épaisseur de l'empilement. Le choix des agents de gravure en fonction des matériaux à graver est à la portée de l'homme du métier et ne sera pas détaillé dans le présent texte.
  • L'ouverture 20 forme une fenêtre dans laquelle le collecteur, la base et l'émetteur doivent être formés à partir de la surface 10 du substrat 1.
  • En référence à la figure 4, on a mis en œuvre un procédé d'épitaxie sélective cyclique pour faire croître le collecteur C du transistor bipolaire tout en gravant latéralement la couche 23.
  • Le substrat 1 qui est monocristallin sert de germe à la croissance épitaxiale du collecteur. Le collecteur est formé d'un matériau semi-conducteur monocristallin dont le paramètre de maille est aussi proche que possible du paramètre de maille du substrat 1 afin d'éviter la génération de défauts cristallins dans le collecteur. De manière avantageuse, le substrat 1 et le collecteur C sont tous deux en silicium monocristallin. Le collecteur C peut être dopé pendant ou après l'épitaxie, par des moyens connus de l'homme du métier. Dans le cas d'un transistor NPN, le dopage du collecteur peut être réalisé avec de l'arsenic ou du phosphore, avec une dose typiquement de l'ordre de 1018 à 1019 cm-3. Dans le cas d'un transistor PNP, le dopage du collecteur peut être réalisé avec du bore ou de l'indium, avec une dose typiquement de l'ordre de 1018 à 1019 cm-3.
  • Chaque cycle d'épitaxie sélective comprend une étape de gravure et une étape de croissance. La vitesse de croissance est différente selon le matériau à partir duquel la croissance est mise en œuvre. La sélectivité de l'épitaxie est procurée par la gravure qui permet d'éliminer le matériau déposé là où la croissance est moins rapide.
  • Chaque étape de gravure sélective met en œuvre un agent de gravure qui grave plus rapidement le silicium-germanium polycristallin de la couche 23 que le silicium du collecteur. Par exemple, l'agent de gravure comprend de l'acide chlorhydrique (HCl). Chaque étape de gravure sélective permet de former une ouverture annulaire 230 s'étendant latéralement autour de l'ouverture 20 dans la couche 23. La largeur de ladite ouverture 230 est de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres de chaque côté de l'ouverture 20.
  • Chaque étape d'épitaxie sélective permet de faire croître préférentiellement le silicium monocristallin sur la surface 10 du substrat 1, le réseau cristallin du substrat 1 servant de germe à la croissance du collecteur C.
  • La croissance du collecteur est stoppée lorsque la surface supérieure du collecteur est située entre la surface supérieure de la couche 21 d'oxyde de silicium et la surface supérieure de la couche 22 de nitrure de silicium.
  • En référence à la figure 5, on a poursuivi l'épitaxie pour faire croître la base du transistor bipolaire (plus précisément, la partie intrinsèque B1 de la base) sur le collecteur C. Le collecteur qui est monocristallin sert de germe à la croissance épitaxiale de la base. La base est formée d'un matériau semi-conducteur monocristallin dont le paramètre de maille est aussi proche que possible du paramètre de maille du collecteur C afin d'éviter la génération de défauts cristallins dans le collecteur. De manière avantageuse, le substrat 1 et le collecteur C sont en silicium monocristallin, tandis que la base B1 est en silicium-germanium monocristallin. La teneur en germanium de la couche 23 est suffisamment grande par rapport à la teneur en germanium de la base B1 (par exemple, plus de 1,5 fois plus grande) pour assurer une sélectivité de la gravure de la couche 23 vis-à-vis de la base B1, afin de ne pas endommager la base lors de la gravure de la couche 23 (étape schématisée sur la figure 14). La base est dopée de type opposé à celui du collecteur pour former une jonction P-N, qui est en contact latéralement avec la couche électriquement isolante 22.
  • Grâce à l'ouverture annulaire 230 formée dans la couche 23, la base croît uniquement à partir du matériau monocristallin du collecteur, à distance du matériau polycristallin de la couche 23, ce qui permet d'optimiser la qualité cristalline de la base. En effet, si la base était en contact avec la couche 23, le matériau de la base se déposerait également sur le bord de cette couche, qui est constituée d'un matériau différent de celui de la base et qui n'est pas monocristallin, ce qui induirait des défauts cristallins dans la base.
  • La croissance de la base est stoppée lorsque la surface supérieure de la base atteint la surface supérieure de la couche 23 de silicium-germanium polycristallin.
  • A l'issue de la croissance de la base, l'ouverture annulaire 230 est donc délimitée intérieurement par la base pour former une lame d'air 3. On notera cependant que cette lame d'air n'est pas située au même emplacement que la lame d'air 3' dans le transistor bipolaire de la figure 1, et qu'elle ne remplit pas la même fonction. En effet, alors que la lame d'air 3' du transistor bipolaire de la figure 1 était destinée à éviter un contact électrique entre la jonction base-collecteur et la partie extrinsèque de la base, la lame d'air 3 de la figure 5 est destinée à optimiser la qualité cristalline de la partie intrinsèque de la base. Comme on le verra plus bas, la lame d'air 3 disparaîtra dans une étape ultérieure du procédé de fabrication du transistor bipolaire et ne sera donc pas présente dans le transistor bipolaire final.
  • En référence à la figure 6, on a déposé sur la structure de la figure 5 une couche additionnelle 25 d'oxyde de silicium et une couche 26 de nitrure de silicium sur la couche 25 d'oxyde de silicium. Ces deux couches sont destinées à former les espaceurs de l'émetteur qui sera formé par la suite. Le dépôt d'oxyde de silicium étant conforme, il permet de former une couche d'épaisseur uniforme sur toute la surface exposée, ce qui permet d'obtenir ensuite des espaceurs présentant une forme optimale.
  • En référence à la figure 7, on a gravé la couche 26 de nitrure de silicium sur l'ensemble de la surface de la structure. A l'issue de cette étape de gravure, il ne subsiste que deux plots 26a de nitrure de silicium dans l'ouverture.
  • En référence à la figure 8, on a formé une ouverture entre les plots 26a en retirant la couche d'oxyde présente entre lesdits plots, afin d'exposer la surface supérieure de la partie intrinsèque B1 de la base.
  • En référence à la figure 9, on a retiré les plots de nitrure de silicium 26a, de sorte qu'il ne reste plus sur la partie intrinsèque B1 de la base que deux espaceurs 25a qui sont les portions résiduelles de la couche 25 d'oxyde de silicium.
  • En référence à la figure 10, on a mis en œuvre un dépôt de silicium polycristallin destiné à former l'émetteur. Ce dépôt n'étant pas sélectif, la couche 27 de silicium polycristallin a été déposée à la fois sur la couche d'oxyde de silicium 24, sur les espaceurs 25a et sur la partie intrinsèque B1 de la base. La couche 27 est dopée de type opposé à celui de la base, pour former une jonction P-N entre la base et l'émetteur. Dans le cas d'un transistor NPN, le dopage de l'émetteur peut être réalisé avec de l'arsenic, avec une dose typiquement de l'ordre de 1020 à 1021 cm-3. Dans le cas d'un transistor PNP, le dopage de l'émetteur peut être réalisé avec du bore, avec une dose typiquement de l'ordre de 1020 à 1021 cm-3.
  • La couche 27 a ensuite été recouverte d'une couche protectrice 28 électriquement isolante, par exemple en oxyde de silicium.
  • En référence à la figure 11, on a mis en œuvre une gravure au travers d'un masque localisé (non représenté) pour définir l'émetteur E dans la couche 27 de silicium polycristallin. Dans les régions de la structure non recouvertes par le masque, la gravure a retiré la couche 28 d'oxyde de silicium, la couche 27 de silicium polycristallin et la couche 24 d'oxyde de silicium.
  • L'agent de gravure est choisi pour assurer une gravure de l'oxyde de silicium sélective par rapport au silicium-germanium polycristallin, la couche 23 de silicium-germanium polycristallin servant de couche d'arrêt de gravure.
  • En référence à la figure 12, on a déposé une couche 29 d'oxyde de silicium permettant d'encapsuler l'émetteur. Ladite couche 29 est déposée de manière conforme sur la couche 23 de silicium-germanium polycristallin, sur la couche 28 d'oxyde de silicium et sur les bords latéraux de l'émetteur.
  • En référence à la figure 13, on a gravé la couche 29 d'oxyde de silicium présente sur la surface de la couche 23 de silicium-germanium. Ladite gravure est anisotrope, de sorte à préserver l'oxyde de silicium encapsulant la surface supérieure et les bords latéraux de l'émetteur E. La couche 23 de silicium-germanium polycristallin sert de couche d'arrêt de gravure.
  • En référence à la figure 14, on a mis en œuvre une gravure de la couche 23 de silicium-germanium polycristallin. L'agent de gravure est choisi pour assurer une gravure du silicium-germanium polycristallin sélective par rapport aux autres matériaux de la structure, notamment par rapport au matériau de la partie intrinsèque B1 de la base et du matériau de la couche 22.
  • Cette gravure expose la partie supérieure des bords latéraux de la partie intrinsèque B1 de la base, la jonction base-collecteur étant entourée par la couche 22 de nitrure de silicium.
  • En référence à la figure 15, on a déposé une couche semi-conductrice 30 sur la couche 22 de nitrure de silicium. Le matériau semi-conducteur de la couche 30 est choisi pour se déposer sélectivement sur le nitrure de silicium, et non sur l'oxyde de silicium. Le nitrure de silicium n'étant pas un matériau monocristallin, le matériau semi-conducteur de la couche 30 est typiquement polycristallin. Selon un mode de réalisation préféré, le matériau de la couche 30 est du silicium polycristallin dopé du même type que la base.
  • Le dépôt de la couche 30 peut être stoppé à partir du moment où la surface supérieure de ladite couche a atteint la surface inférieure de l'émetteur E. Ainsi, la couche 30 comble entièrement la région en retrait sous l'émetteur, et est en contact électrique avec la partie supérieure de la base B. La couche 30 remplit ainsi la fonction de partie extrinsèque B2 de la base.
  • Selon un mode de réalisation, illustré sur la figure 16a, la croissance de la couche 30 peut être réalisée d'abord à partir des bords exposés de la partie intrinsèque B1 de la base, dans une direction parallèle à la surface principale de la structure (direction représentée par la flèche I), puis à partir de la surface de la couche 22 de la couche de nitrure de silicium, dans la direction perpendiculaire à la surface de la couche 22 (direction représentée par la flèche II). A cet effet, on met en œuvre dans un premier temps une épitaxie sélective permettant une croissance du matériau de la couche 30 uniquement à partir du silicium-germanium de la partie intrinsèque de la base, puis une épitaxie sélective permettant une croissance du matériau de la couche 30 également à partir du nitrure de silicium de la couche 22.
  • Selon un mode de réalisation alternatif, illustré sur la figure 16b, la croissance de la couche 30 peut être réalisée en deux étapes dans la direction perpendiculaire à la surface principale de la structure. Dans une première étape (schématisée par la flèche I), une fine couche de silicium peut d'abord être déposée sur la couche 22. Dans une seconde étape (schématisée par la flèche II), le silicium polycristallin dopé P est déposé sur la fine couche de silicium pour former le reste de la couche 30. Le dépôt préalable d'une telle fine couche de silicium peut être avantageux pour assurer une sélectivité suffisante du dépôt de la couche de silicium polycristallin vis-à-vis de l'oxyde encapsulant l'émetteur. Compte tenu de sa faible épaisseur, la couche de silicium déposée dans la première étape ne remplit pas de fonction électrique. La fonction électrique de la partie extrinsèque B2 de la base est assurée par la couche de silicium polycristallin déposée dans la deuxième étape.
  • Ainsi, grâce au choix judicieux des matériaux formant l'empilement déposé sur le substrat en termes de sélectivité de gravure et/ou de dépôt, le procédé décrit dans le présent texte présente les avantages suivants par rapport au procédé de fabrication du transistor bipolaire de la figure 1. D'une part, la lame d'air formée autour de la partie intrinsèque de la base permet d'améliorer la qualité cristalline de la base. D'autre part, l'isolation électrique de la jonction base - collecteur vis-à-vis de la partie extrinsèque de la base est assurée par une couche électriquement isolante (à savoir la couche 22 de nitrure de silicium dans le mode de réalisation illustré sur les figures), qui est en contact direct avec la base et le collecteur de part et d'autre de ladite jonction ; les difficultés liées à la maîtrise d'une lame d'air sont donc évitées. Enfin, le nombre d'étapes mises en œuvre est réduit, notamment en ce qui concerne la réalisation de la connexion entre la partie intrinsèque et la partie extrinsèque de la base.
  • Le transistor bipolaire ainsi obtenu est donc plus robuste tout en étant plus facile à fabriquer à l'échelle industrielle.
  • Par ailleurs, les étapes mises en œuvre pour la fabrication dudit transistor bipolaire étant compatibles avec les étapes de fabrication de transistors CMOS, ce procédé se prête bien à la co-intégration de transistors bipolaires et CMOS (désignée par le terme BiCMOS).

Claims (17)

  1. Procédé de fabrication d'un transistor bipolaire comprenant un collecteur, une base et un émetteur, comprenant :
    - la formation, sur un substrat (1) semi-conducteur, d'un empilement (2) comprenant successivement : une première couche (21), une deuxième couche (22), une troisième couche (23) et une quatrième couche (24), dans lequel chacune des première à quatrième couches est apte à être gravée sélectivement par rapport à chaque couche adjacente, les première, deuxième et quatrième couches étant électriquement isolantes,
    - la formation d'une ouverture (20) dans l'empilement (2) jusqu'au substrat (1),
    - la formation par épitaxie sur le substrat (1) du collecteur (C) du transistor bipolaire et la formation par gravure sélective d'une ouverture annulaire (230) dans la troisième couche (23),
    - la formation par épitaxie sur le collecteur (C) d'une partie intrinsèque (B1) de la base, ladite partie intrinsèque (B1) étant séparée de la troisième couche (23) par une lame d'air (3) formée dans l'ouverture annulaire (230), la jonction entre le collecteur (C) et la partie intrinsèque (B1) de la base étant entourée par la deuxième couche (22),
    - la formation de l'émetteur (E) sur la partie intrinsèque (B1) de la base,
    - le retrait de la troisième couche (23) par gravure sélective,
    - le dépôt sélectif d'une couche semi-conductrice (30) sur la deuxième couche (22), en contact direct avec la partie intrinsèque (B1) de la base, de sorte à former une partie extrinsèque (B2) de la base du transistor bipolaire.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la formation de l'émetteur comprend la formation d'une ouverture dans la quatrième couche (24) jusqu'à la partie intrinsèque (B1) de la base et un dépôt non sélectif d'un matériau semi-conducteur sur la quatrième couche (24) et sur la partie intrinsèque (B1) de la base.
  3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la formation de la partie extrinsèque (B2) de la base comprend une première phase de croissance de la couche semi-conductrice (30) latéralement à partir d'un bord de la partie intrinsèque (B1) de la base, suivie d'une seconde phase de croissance de la couche semi-conductrice (30) à partir de la surface de la deuxième couche (22) électriquement isolante dans une direction perpendiculaire à ladite surface.
  4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la formation de la partie extrinsèque (B2) de la base comprend une phase de dépôt d'une première couche semi-conductrice sur la deuxième couche (22) électriquement isolante suivie du dépôt sélectif de la couche semi-conductrice (30) sur ladite première couche semi-conductrice.
  5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les première, deuxième et quatrième couches (21, 22, 24) sont formées d'un matériau choisi parmi l'oxyde de silicium (SiO2) et le nitrure de silicium (Si3N4).
  6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel les première et quatrième couches (21, 24) sont des couches d'oxyde de silicium et la deuxième couche (22) est une couche de nitrure de silicium.
  7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la troisième couche (23) est une couche de silicium-germanium polycristallin.
  8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel la couche semi-conductrice (30) formant la partie extrinsèque (B2) de la base est une couche de silicium polycristallin.
  9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel la partie intrinsèque (B1) de la base comprend du silicium-germanium.
  10. Procédé selon la revendication 9 en combinaison avec la revendication 7, dans lequel la teneur en germanium de la troisième couche (23) est au moins 1,5 fois plus grande que la teneur en germanium de la partie intrinsèque (B1) de la base.
  11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, comprenant, avant la formation de l'émetteur (E), la formation d'espaceurs (25a) sur la partie intrinsèque (B1) de la base.
  12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel la formation des espaceurs comprend :
    - le dépôt d'une couche (25) d'oxyde de silicium sur la partie intrinsèque (B1) de la base,
    - le dépôt d'une couche (26) de nitrure de silicium sur la couche (25) d'oxyde de silicium,
    - la formation d'une ouverture dans lesdites couches (26, 25) de nitrure de silicium et d'oxyde de silicium jusqu'à la partie intrinsèque de la base, de sorte à délimiter lesdits espaceurs (25a) dans la couche (25) d'oxyde de silicium.
  13. Structure comprenant un transistor bipolaire incluant un collecteur, une base et un émetteur, ladite structure comprenant :
    - un substrat (1) semi-conducteur,
    - un empilement comprenant successivement à partir du substrat (1) : une première couche (21) électriquement isolante, une seconde couche électriquement isolante (22) en un matériau différent de celui de la première couche électriquement isolante (21) et une couche semi-conductrice (30), ledit empilement comprenant une fenêtre s'étendant jusqu'au substrat (1),
    - le collecteur (C), une partie intrinsèque (B1) de la base et l'émetteur (E) étant empilés successivement sur le substrat (1) dans ladite fenêtre, la jonction entre le collecteur (C) et la partie intrinsèque (B1) de la base étant entourée par la seconde couche électriquement isolante (22), la couche semi-conductrice (30) formant une partie extrinsèque (B2) de la base du transistor bipolaire.
  14. Structure selon la revendication 13, dans laquelle la deuxième couche (22) électriquement isolante est située sur et en contact avec la première couche (21) électriquement isolante.
  15. Structure selon la revendication 13 ou 14, dans laquelle la seconde couche électriquement isolante est en contact direct avec la jonction entre le collecteur (C) et la partie intrinsèque (B1) de la base.
  16. Structure selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, dans laquelle la première couche électriquement isolante (21) est en oxyde de silicium et la seconde couche électriquement isolante (22) est en nitrure de silicium.
  17. Structure selon l'une des revendications 13 à 16, dans laquelle la couche semi-conductrice (30) formant la partie extrinsèque (B2) de la base est en silicium polycristallin.
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